周期性拉伸诱导上皮细胞柱状化的力学生物学机制研究

这篇研究揭示了周期性机械拉伸（CS）通过Piezo1介导的机械转导和ZO-1/肌动球蛋白网络重构，驱动MDCK上皮细胞从立方状向柱状形态转变的分子机制。研究发现20%应变、1Hz的CS处理24小时可显著增加细胞高度（AR从0.7升至1.6），该过程依赖顶端紧密连接（TJ）强化和基底应力纤维重排。Caveolin-1（Cav1）过表达可增强细胞连接并促进柱状化，而抑制Piezo1或肌球蛋白II（MLC2磷酸化）则阻断该过程。原子力显微镜（AFM）显示CS处理后顶端连接区刚度增加，结合顶点模型证实顶端-基底张力协同驱动柱状形态发生。

　　

周期性拉伸诱导上皮细胞柱状化的力学生物学机制

引言
上皮组织作为机体屏障，需要持续适应动态机械刺激以维持稳态。传统研究多关注生化信号对上皮行为的调控，而对长期机械刺激（如周期性拉伸CS）诱导的形态适应机制认识不足。本研究通过建立20%应变、1Hz的CS模型，首次系统揭示了上皮细胞从立方状向柱状形态转变（柱状化）的力学生物学机制。

结果

1. 单轴CS诱导MDCK上皮细胞柱状化
   在模拟体内高应变条件（20%，1Hz）下，MDCK细胞经24小时CS处理后，细胞高度从10.12±1.2μm增至17.78±1.8μm，长宽比（AR）从0.7±0.14升至1.6±0.29，体积仅增加15%。三维形态分析显示，所有横截面面积均减小，且细胞长轴垂直于拉伸方向排列。这种形态变化具有可逆性，停止CS后柱状结构消失。

2. 细胞骨架的重构特征
   CS处理诱导顶端区域形成肌动蛋白"屋顶"结构，actin强度在顶端增加40%，而基底应力纤维则沿垂直于拉伸方向重排。微管组织中心（MTOC）在顶端聚集，α-tubulin分布从离心式转为向下延伸。细胞松弛素D（0.25μM）可完全抑制柱状化，而微管抑制剂诺考达唑（0.5μM）仅引起核分裂异常，表明肌动球蛋白网络起主导作用。

3. 连接复合体的关键作用
   CS使紧密连接蛋白ZO-1从弯曲状变为直线排列，连接区刚度增加2.3倍。ZO-1敲除使细胞变为扁平状（AR<0.7），并削弱CS诱导的高度增加（抑制34%）。肌球蛋白II抑制剂blebbistatin（50μM）处理导致多核化，完全阻断柱状化。值得注意的是，黏着斑激酶（FAK）抑制仅部分减弱柱状化，提示细胞-细胞连接比细胞-基质连接更重要。

4. Cav1过表达增强柱状化
   在连接较弱的MK4细胞中，CS仅引起15%高度增加。而过表达Cav1使MK4细胞自发形成柱状（AR=1.3），CS处理后高度进一步增加86%（AR=2.0）。Western blot显示Cav1过表达持续上调E-cadherin表达，但ZO-1在CS后仍会减少，表明两种连接蛋白可能通过不同通路调控形态。

5. Piezo1介导的机械转导
   机械敏感通道Piezo1抑制剂GsMTx4（5μM）处理使CS诱导的高度增加从74%降至9%，并抑制ZO-1和E-cadherin在连接区的募集。磷酸化MLC2（pMLC2）在顶端和基底均显著增加，证实CS通过Piezo1-Ca²⁺信号激活肌球蛋白收缩。

6. 力学模型揭示张力调控机制
   顶点模型模拟显示：顶端张力增加使细胞形成截锥状，基底张力增加产生倒梯形，而两者协同作用才能形成典型柱状。AFM证实MDCK细胞连接区刚度增加，而MK4细胞刚度降低53%，Cav1过表达可部分挽救（仅降低18%）。模型预测柱状化可降低细胞高度波动，有助于维持上皮稳态。

讨论
该研究建立了长期CS诱导上皮柱状化的完整机制：Piezo1感知基底机械刺激后，通过钙信号激活顶端ZO-1/肌动球蛋白网络重构，同时基底应力纤维重排，形成顶端-基底张力协同作用。Cav1过表达实验证明连接强度决定柱状化程度，为理解肠道等持续收缩器官的上皮适应提供新视角。未来需开发实时成像技术，进一步解析Piezo1下游的精确信号通路。